1、本科学生毕业设计55KW 直流电机 PWM 调速系统设计院系名称： 电气与信息工程学院 专业班级：电气工程及其自动化 08-1 班学生姓名： 指导教师： 职 称： 教 授 黑 龙 江 工 程 学 院二一二年六月The Graduation Design for Bachelors DegreeDesign of 55 KW Direct Current Speed Regulation System Controlled by PWMCandidate：Specialty：Electrical engineering and automationClass：08-1Supervisor：pro
2、fessor Heilongjiang Institute of Technology2012-06Harbin黑龙江工程学院本科生毕业设计摘 要在电气时代的今天，电动机在工农业生产、人们日常生活中起着十分重要的作用。直流电机是最常见的一种电机，在各领域中得到广泛应用。研究直流电机的控制和测量方法，对提高控制精度和响应速度、节约能源等都具有重要意义。电机调速问题一直是自动化领域比较重要的问题之一。不同领域对于电机的调速性能有着不同的要求，因此，不同的调速方法有着不同的应用场合。本文基于 PWM 的双闭环直流调速系统进行了研究，并设计出应用于直流电动机的双闭环直流调速系统。首先描述了变频器的发展
3、历程，提出了 PWM 调速方法的优势，指出了未来 PWM 调速方法的发展前景，点出了研究 PWM 调速方法的意义。应用于直流电机的调速方式很多，其中以 PWM 变频调速方式应用最为广泛，而 PWM 变频器中，H 型 PWM 变频器性能尤为突出，作为本次设计的基础理论，本文将对 PWM 的理论进行详细论述。在此基础上，本文将做出单片机控制的 H型 PWM 变频调速系统的整体设计，然后对各个部分分别进行论证，力图在每个组成单元上都达到最好的系统性能。为了在电机调速时,得到比采用传统的 IGBT 控制更可靠的电机调速性能,并降低成本和缩短开发周期,设计了以 89C52 单片机为控制芯片的双闭环调速系
4、统,包括系统的硬件电路以及软件设计两方面,实现电机转速显示、电流采样、电机驱动、脉宽调制信号生成、转速模数转换及电机转速检测的功能。运用比例积分的调节方法,理论上可实现对转速自动而可靠的调节。关键词：单片机 ；直流调速 ；双闭环 ；PWM ；比例积分黑龙江工程学院本科生毕业设计IABSTRACTIn electrical times today, the electric motor in the industry and agriculture production, the people daily life is playing the very vital role. The dire
5、ct current machine is the most common one kind of electrical machinery, obtains the widespread application in various domains. The research direct current machines control and the measuring technique, to increase the control precision and the speed of response, the frugal energy and so on have the i
6、mportant meaning. A problem about speed-modulation of DC motor is very important in the field automatic. The requests to the effect after the speed-modulation of the DC motor are different in different fields. Then, different speed-modulation ways are using in different fields.This paper researches
7、DC-drive speed system with a dual-converter and dual-closed-loop based PWM, discussing a new control method that combines PWM with D C-drive, designs applies in direct current motors double closed loop current velocity modulation system. DC motor is used very generally because its speed-modulation e
8、ffect is very good and its speed-modulation is easily to be realized. PWM theory is used most generally among the speed-modulation ways. The text will introduce the H-PWM way mostly. We will try to do modulation to the DC motor with singlechip. The importance of the text is the parts which are compo
9、sed the system. Another importance is the principles of working about every parts.In order to make the motor speed regulating property of the motor more reliable than that controlled by the traditional IGBT system and to reduce the cost and the time of developing the motor controlling system,a doubl
10、e closed loop speed regulating system,using the 89C52 microcontroller unit(MCU)as the control chip,is designed.Both the hardware and software of the MCU controlling system are designed to realize such all functions as the display of the speed of motor,the measure of the current of the motor,the driv
11、e of the motor,the generation of the waveform of PWM,the conversion of analogue signals to digital ones and the measurement of the speed.This controlling system,using the method of proportional integral(PI)regulation,theoretically can reach the goal of speed regulation automatically and reliably. Ke
12、y word: Microcontroller unit；DC speed regulation；Double-loop；PWM；PI； 黑龙江工程学院本科生毕业设计目 录摘要Abstract第 1 章 引言11.1 背景11.2 选题的目的和意义11.3 研究方法2第 2 章 直流调速系统的方案设计3 2.1 设计技术指标要求32.2 现行方案的讨论与比较32.3 PWM 控制系统52.4 选择 IGBT 的 H 桥型主电路的理由112.5 转 速 、 电 流 双 闭环 112.6 本章小黑龙江工程学院本科生毕业设计结12第 3 章 PWM 控制直流调速系统主电路设计 133.1 整流电路1
13、33.1.1 基本结构133.1.2 主要数量关系143.1.3 变压器选择153.2 主电路设计163.2.1 IGNT管163.2.2 IGBT 驱动电路183.2.3 IGBT 缓冲电路193.3 泵升电压限制电路19 3.4 直流稳压电源213.4.1 5V 电源设计213.4.2 15V 电源设计223.4.3 24V 电源设计233.5 本章小结黑龙江工程学院本科生毕业设计24 第 4 章 PWM 控制直流调速系统控制电路设计254.1 单片机的选择254.2 PWM 信号发生器284.3 检测回路294.4 数码管速度显示电路304.5 控制系统设计314.5.1 系统主程序框图
14、314.5.2 转速调节框图324.6 本章小结33第 5 章系统参数的确定及 MATLAB 仿真345.1 时间常数确定345.1.1 平均失控时间常数 34ST5.1.2 电流滤波时间常数和转速滤波时间常数345.2 反馈系数确定345.3 电流调节器参数的确定34黑龙江工程学院本科生毕业设计5.3.1 电流环小时间常数的计算345.3.2 电流调节器结构选择355.3.3 计算电流调节器的参数355.3.4 校验近似条件355.4 转速调节器参数的确定365.4.1 确定时间常数365.4.2 转速调节器结构选择365.4.3 计算转速节器的参数375.4.4 检验近似条件375.4.5
15、 核定转速超调量375.5 本章小结38结束语39参考文献40致谢43附黑龙江工程学院本科生毕业设计录44 黑龙江工程学院本科生毕业设计0第 1 章 引 言1.1 背景现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备，目前在直流电动机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的 KZD 拖动系统，取代了笨重的发电动- 电动机的 FD 系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势 1。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机） ，只要改变电机的电压就可以改变
16、转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种 PWM 脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速 2。我们知道冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。实际上 PWM 控制技术就是以该结论为理论基础。亦即对输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用其来代替正弦波或其他所需要的波形。并且按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。这就是 PWM 控制技术 2。PWM 控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪 80 年代以前一直未能实现。直到进入上世纪 80 年代，随着全控型电力
17、电子器件的出现和迅速发展，PWM 控制技术才真正得到应用 4。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM 控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种 PWM 控制技术 5。1.2 选题的目的和意义直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵
18、活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广 6。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功黑龙江工程学院本科生毕业设计1能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故 7。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的
19、高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化，高可靠性已成为它发展的趋势。1.3 研究方法本文主要研究了利用 MCS-51 系列单片机，通过 PWM 方式控制直流电机调速的方法 6。PWM 控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为 PWM 控制技术发展的主要方向之一 8。本文就是利用这种控制方式来改变电压的占空比实现直流电机速度的控制。文章中采用了专门的芯片
20、组成了 PWM 信号的发生系统，然后通过放大来驱动电机。利用光电码盘测得电机速度，把电压信号输入给 A/D 转换芯片最后反馈给单片机，在内部进行 PI 运算，输出控制量完成闭环控制，实现电机的调速控制 9。黑龙江工程学院本科生毕业设计2第 2 章 直流调速系统的方案设计2.1 设计技术指标要求1、直流电动机：型号：Z4-160-32；功率： 55KW；电枢电压：440V ；电枢电流：137A；额定转数：1550r/min；励磁功率：725W；电枢电阻：0.0967；飞轮力矩：0.88Nm 2；电枢电感：2.07mH。2、调速范围：D=100 ； 3、起动时超调量：电流超调量: ；转速超调量:
21、%5i%5n2.2 现行方案的讨论与比较直流电动机的调速方法有三种：1、调节电枢供电电压 。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，U从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。 变化遇到的时间常数较小，能快速响应，aI但是需要大容量可调直流电源 10。2、改变电动机主磁通 。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速） ，从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。 变fI化时间遇到的时间常数同 变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电aI源容量小。 3、改变电枢回路电阻 。在电动机电枢回路外串电阻进
22、行调速的方法，设备R简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速 11。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主速。改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压需要黑龙江工程学院本科生毕业设计3有专门的可控直流电源，常用的可控直流电
23、源有以下三种：1、旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。2、静止可控整流器。用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压 12。3、直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。由于旋转变流机组缺点太多，采用汞弧整流器和闸流管这样的静止变流装置来代替旋转变流机组，形成所谓的离子拖动系统 13。离子拖动系统克服旋转变流机组的许多缺点，而且缩短了响应时间，但是由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护麻烦，尤其是水银如果泄漏，将会污染环境，严重危害身体健康。目前，采用晶闸管
24、整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管电动机调速系统，简称 V-M 系统，又称静止 Ward-Leonard 系统）已经成为直流调速系统的主要形式14。但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：1、晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成 V-M 可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍 15。2、晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的 和 十分敏感，其中dtuti任意指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且
25、在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。3、晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备 16。如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“ 电力公害”。为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。4、晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续
26、和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而黑龙江工程学院本科生毕业设计4且呈现出显著的非线性。由于以上种种原因，所以选择了脉宽调制变换器进行改变电枢电压的直流调速系统。2.3 PWM 控制系统不可逆 PWM 变换器分为无制动作用和有制动作用两种。图 2.1（a）所示为无制动作用的简单不可逆 PWM 变换器主电路原理图，其开关器件采用全控型的电力电子器件。电源电压 一般由交流电网经不可控整流电路提供。电容 的作用是sUC滤波，二极管 VD 在电力晶体管 VT 关断时为电动机电枢回路提供释放电储能的续流回路 17。M+-i dV D+-C
27、U tV TU b( a )EtU dUU Tt o nT( b )图 2.1 简单的不可逆 PWM 变换器电路（a）原理图 （b）电压和电流波型电力晶体管 VT 的基极由频率为 f，其脉冲宽度可调的脉冲电压 驱动。在一bU个开关周期 T 内，当 时， 为正，VT 饱和导通，电源电压通过 VT 加ont0bU到电动机电枢两端；当 时， 为负，VT 截止，电枢失去电源，经二极T管 VD 续流。电动机电枢两端的平均电压为 ssondTt式中， PWM 电压的占空比，又称负载电压系数。 的变化范围TtUond5 在 01 之间，改变， 即可以实现对电动机转速的调节。图 2.1（b）绘出了稳态时电动机
28、电枢的脉冲端电压 、平均电压 和电枢电dudu流 的波型。由图可见，电流 是脉动的，其平均值等于负载电流 （di di mLlCTI/负载转矩， 直流电动机在额定磁通下的转矩电流比） 。LTmC由于 VT 在一个周期内具有开关两种状态，电路电压平衡方程式也分为两阶段，黑龙江工程学院本科生毕业设计5即在 期间 ont0EdtiLRiU5在 期间 Tt ti0式中，R ，L电动机电枢回路的总电阻和总电感； E电动机的反电动势。PWM 调速系统的开关频率都较高，至少是 14kHz ，因此电流的脉动幅值不会很大，再影响到转速 n 和反电动势 E 的波动就更小，在分析时可以忽略不计，视 n 和 E 为恒
29、值 18。这种简单不可逆 PWM 电路中电动机的电枢电流 不能反向，因此系统没有Di制动作用，只能做单向限运行，这种电路又称为“ 受限式” 不可逆 PWM 电路。这种PWM 调速系统，空载或轻载下可能出现电流断续现象，系统的静、动态性能均差19。图 2.2（a ）所示为具有制动作用的不可逆 PWM 变换电路，该电路设置了两个电力晶体管 VT1 和 VT2，形成两者交替开关的电路，提供了反向电流的 通路。di这种电路组成的 PWM 调速系统可在第 I、II 两个象限中运行。VT1 和 VT2 的基极驱动信号电压大小相等，极性相反，即 。当电动2bU机工作在电动状态时，在一个周期内平均电流就为正值
30、，电流 分为两段变化。di在 期间， 为正，VT1 饱和导通； 为负，VT2 截止。此时，电源电ont0b1Ub2U压 加到电动机电枢两端，电流 沿图中的回路流通。在 期间，s di Tton和 改变极性， VT1 截止，原方向的电流 沿回路 2 经二极管 VD2 续流，在b1U2 diVD2 两端产生的压降给 VT2 施加反压，使 VT2 不可能导通 20。因此，电动机工作在电动状态时，一般情况下实际上是电力晶体管 VT1 和续流二极管 VD2 交替导通，而 VT2 则始终不导通，其电压、电流波型如图 2.2（b）所示，与图 2.1 没有 VT2的情况完全一样。如果电动机在电动运行中要降低转
31、速，可将控制电压减小，使 的正脉冲变b1U窄，负脉冲变宽，从而使电动机电枢两端的平均电压 降低。但是由于惯性，电d动机的转速 n 和反电动势 E 来不及立刻变化，因而出现 的情况 21。这时电E力晶体管 VT2 能在电动机制动中起作用。在 期间，VT2 在正的 和反Ttonb2电动势 E 的作用下饱和导通，由 E 产生的反向电流 沿回路 3 通过 VT2 流dUdi通，产生能耗制动，一部分能量消耗在回路电阻上，一部分转化为磁场能存储在黑龙江工程学院本科生毕业设计6回路电感中，直到 t=T 为止。在 （也就是 ）期间，因 变负，ontTont0b2UVT2 截止， 只能沿回路 4 经二极管 VD1 续流，对电源回馈制动，同时在 VD1di上产生的压降使 VT1 承受反压而不能导通 22。在整个制动状态中
